Buscando conos de Dirac (que no estén en el grafeno)

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Graphen

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

Todos hemos oído hablar del grafeno y de que es un material maravilloso. Quizás sepamos que es una estructura bidimensional, es decir, que los átomos se extienden enlazándose entre sí en un plano. Lo que quizás no tengamos tan claro es que lo que lo hace tan maravilloso es el comportamiento de parte de los electrones de esos átomos.

Los electrones no pueden estar donde quieran en un átomo; solo pueden estar en unos niveles de energía determinados. Cuando tenemos muchos electrones de muchos átomos juntos, los electrones se distribuyen en lo que se llaman bandas que en realidad son niveles permitidos muy juntos. Como es fácil de imaginar, estas bandas adoptan formas geométricas que dependen de la naturaleza y número de los átomos enlazados.

Bandas electrónicas del grafeno con los conos de Dirac. Imagen: Centro de Fisica do Porto
Bandas electrónicas del grafeno con los conos de Dirac. Imagen: Centro de Fisica do Porto

Las propiedades electrónicas únicas del grafeno surgen de su estructura bidimensional tan característica. Esos hexágonos del grafeno en forma de panel de abeja dan lugar a bandas de niveles de energía que tienen forma de dos conos que se tocan por el vértice. Los electrones que están cerca del vértice resulta que se compartan como partículas sin masa que viajan a la velocidad de la luz, como los fotones, en dos dimensiones. Estas partículas relativistas, como se las llama, se describen por la misma ecuación, la ecuación de Dirac, que los fotones; por eso a estos electrones se les llama de Dirac.

Pero en el caso del grafeno la descripción de los electrones como relativistas no es del todo perfecta. Esto se debe a que las bandas cerca de los vértices sufren una distorsión por la misma presencia de los electrones, es lo que se llama el efecto espín-órbita.

Ahora, Steve Young, del Laboratorio de Investigación Naval estadounidense, y Charles Kane, de la Universidad de Pennsylvania, han identificado una familia de semimetales cristalinos que poseen puntos de Dirac (como los vértices de los conos del grafeno) pero sin interferencias del efecto espín-órbita. Publican sus resultados en Physical Review Letters.

La inmunidad a esas interferencias permite que estos materiales sean algo ajustables, cosa que no ocurre en el grafeno. En concreto los autores encuentran que la rotura de ciertas simetrías en las estructuras, esto es, distorsionando un poco la estructura cristalina el material, éste puede pasar de ser un aislante normal (como el corcho) a un aislante topológico, un material tridimensional que es aislante todo él excepto en su superficie, en la que los electrones pueden viajar sin chocar con nada (como ocurre en el grafeno), e incluso encontrar fases de Weyl, en la que los electrones se comportan como si no tuviesen masa y están acoplados a pares.

Estos descubrimientos tienen un interés fundamental fascinante. Y si alguien se pregunta para qué puede servir esto en el futuro desde un punto de vista práctico, estamos ante una situación en que la cita de la respuesta de Faraday ante una pregunta similiar del primer ministro Gladstone sobre la electricidad no puede ser más a propósito: Señor, con toda probabilidad dentro de poco podrá imponer impuestos sobre ella.

Referencia:

Steve M. Young and Charles L. Kane (2015) Dirac Semimetals in Two Dimensions DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.126803

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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